电磁能系统智能运维实时数据处理关键技术及应用

为应对电磁能运维实时数据管理系统在大规模、分布式和异构化业务场景下面临的挑战,首先在综合考虑各类电磁能系统运维实时数据特征和实时数据管理需求的基础上,结合内存非关系型键值数学模型,构建了以数据为中心的电磁能实时数据处理流程;然后,针对电磁能系统各业务软件与数据管理系统紧耦合的问题,提出了应用消息中间件的通用化数据管理系统结构,以消息包传输机制实现了数据流在实时数据库与业务软件间传递解耦合;最后,搭建了面向不同软硬件测试环境的电磁能实时数据管理原型系统,对所提架构进行了单节点和多节点的读写性能测试,并通过业务处理延时指标对比验证了该架构的技术可行性和适配性。

一种应用于两相交错Boost的耦合电感的优化设计

两相交错Boost变换器具有纹波电流小的优势,但其采用的交错并联技术增加了电感数量,进而增加了装置的体积和重量,不利于其功率密度的提升。耦合电感通过将多个磁性元件集成到一个磁芯实现磁路的部分共享,从而减小了磁元件的数量和重量。因此,设计了一种反向耦合电感,并将其应用于两相交错Boost变换器,实现了装置功率密度的提升。首先,对反向耦合电感的工作原理和损耗来源进行分析;然后,在此基础上设计了一种改进的“EE”型磁芯,一方面有效提高了磁芯利用率,另一方面降低了电感的体积与重量;最后,通过有限元仿真对所提优化设计方案进行验证,同时搭建了功率等级为2 kW的两相交错Boost变换器实验平台。仿真和实验结果均验证了所提优化设计方案的有效性。

永磁同步电机全转速范围无位置传感器控制

为解决IF控制启动速度偏慢、启动转矩能力薄弱等问题,采用高频脉振电压注入法完成电动机零低速启动,并结合中高速区有效磁链法形成全转速范围无位置传感器复合控制策略。为了实现两种控制方法的平滑切换,提出一种基于转速过渡区与状态机结合的滞环切换策略,所提策略将全转速范围划分为零低速区、过渡区以及中高速区,电动机由中高速区进入过渡区时提前开启高频脉振电压注入法,使其位置估计过程达到稳定,为切换做好准备。为了减小注入高频电压对有效磁链法位置估计过程的冲击,在转速过渡区采用软开启的方式实现高频脉振电压注入法的投入与退出。针对转速过渡区两种位置估计方法同时工作时的耦合问题,设置了双同步旋转坐标系,实现了转子位置估计的解耦控制。在一台三相永磁同步电机上对所提方法的有效性进行了验证。

基于深度置信网络的光伏发电阵列的故障诊断方法

为了对光伏发电阵列的故障进行及时准确的诊断,首先以在Matlab/Simulink中搭建的光伏阵列输出特性仿真模型为基础,采用深度置信网络作为光伏阵列故障诊断算法,并通过蝙蝠算法对网络各隐含层神经元的数量进行优化;然后,以蝙蝠算法优化后的深度置信网络(bat algorithm-deep belief network,BA-DBN)作为故障诊断模型,分别采集不同运行工况下的光伏阵列输出特性四参数,并将其归一化后作为特征样本输入BA-DBN故障诊断模型,实现了对光伏阵列的故障诊断。仿真结果表明:所提出的BA-DBN算法在光伏阵列故障诊断应用中的准确率显著高于KNN、BPNN和原始DBN算法,更加适用于光伏阵列故障诊断,具有更优的分类效果。

电磁发射装置的温升特性研究

为了研究电磁发射装置的损耗与温升特性,基于COMSOL有限元仿真软件建立了电磁发射装置的动态计算模型,并用有限元方法模拟了电磁发射装置损耗和温度分布的时空演变过程。仿真结果表明:发射过程中电枢会产生熔化现象,导轨和电枢发生接触的内侧,尤其是靠近棱线部分的导轨温升较大。通过该模型建立了激励源大小、导轨材料、导轨结构、导轨尺寸与温度变化的关系,为电磁发射装置热管理提供了参考。

基于销盘载流摩擦平台的电磁发射轨道表面防护

为避免电磁发射轨道表面转捩烧蚀损伤,对轨道表面防护工作进行了研究。首先,采用实验室自研的销盘试验机开展了极端工况载流摩擦实验;然后,利用COMSOL软件分析了实验过程瞬态温度场的特征;最后,考虑在盘试样表面采用耐高温的钼涂层,仿真对比了处理前后的温度场分布情况。研究表明:因失接触产生的高能电弧是影响滑动电接触瞬态温度场的主要因素之一,会对无处理的盘试样表面造成可达20μm深的烧蚀坑;进行钼涂层处理后的表面温度更高,处理前后的表面温差最高可达数百摄氏度,主要因为钼的热导率较低;在轨道表面处理选材时,要统筹考虑耐高温性能和导热性能。该研究成果对于延长轨道使用寿命具有重要意义。

基于时间序列相似性搜索的电磁阻拦装置故障诊断方法

电磁阻拦装置记录的事件数据具有高采样率、多维耦合和非周期瞬态的特点,属于复杂非平稳时间序列。为此提出一种基于级联下界剪枝和全局约束下动态时间规整(dynamictime warping,DTW)提前终止策略的相似性搜索方法对事件数据进行挖掘,以实现快速故障诊断。首先提出一种基于小波熵和重要点筛选的改进分段聚合近似算法对事件数据进行压缩降维;然后依次采用3种级联的DTW下界距离函数进行剪枝,以剔除不相似序列,得到候选序列;最后在候选序列中执行精确搜索,通过提出的全局约束下提前终止策略优化DTW度量速度。在电磁阻拦装置原型的历史实验数据中开展实验,验证了该方法能够准确匹配工况及系统故障类别,效率相比主流的TS2BC算法提高了2.14倍。

圆筒型永磁直线电机电磁振动特性研究

为了研究圆筒形直线电机的电磁振动特性,通过建立考虑电磁力空间分布的圆筒型永磁直线电机电磁振动解析模型,对该型电机的振动机理进行了研究。首先,基于Love壳体理论推导了电机简化壳体的模态参数;然后,结合圆筒永磁直线电机特有的轴向简谐分布、周向均匀分布电磁力,基于模态叠加法计算了电机简化壳体电磁振动,解析计算结果与有限元仿真值吻合较好;最后,利用所建立的解析模型分析发现,圆筒型直线电机电磁振动由径向呼吸模态决定,改变变频器的开关频率降低了电机的高频电磁振动幅值,相关理论分析和计算结果通过样机试验得到了验证。

混合储能系统载波移相充放电控制策略

为了提高混合储能运行的安全性和灵活性,确保储能模块的均衡性和一致性,首先针对电磁发射负载复杂的运行特性,设计了一种混合储能分组级联拓扑结构,详细介绍了其工作原理和4种运行模式;然后,开展了针对混合储能分组级联拓扑的载波移相充放电控制的研究,分别结合锂电池充电模式、超级电容充电模式以及电磁发射驱动模式,研究了载波移相策略的应用方法和充放电策略;最后,针对上述3种模式分别进行了试验,验证了载波移相策略的可行性以及在锂电池模块故障状态下瞬时旁路的功能,同时证明了该策略具有提高系统灵活性、保持各锂电池储能模块均衡性和一致性的优势特点。

船舶无刷相复励同步发电机励磁系统设计

以船舶无刷相复励同步发电机为研究对象。首先,介绍了其工作原理与励磁特性,推导了相复励输出电流计算式;然后,针对发电机调节特性无法全补偿励磁装置输出特性的问题,设计了合适的励磁电流过补偿系数,通过与分流电阻独特的工作机制相配合来实现端口电压的稳定;其次,根据该设计方案给出了主要元件参数的计算方法,并建立仿真模型,在稳态和动态两种负载工况下进行仿真验证;最后,根据已有电机参数与所提设计方案制造了一台25 kVA试验样机,试验结果表明所设计的可控励磁系统能够通过控制分流电阻的通断调整励磁电流大小,随着负载的波动仍能实现端口电压的稳定。将计算和仿真结果与试验测量结果进行对比分析,计算误差小于1%,验证了推导计算式的有效性;仿真误差小于3.5%,表明模型能够较好地反映样机的稳态与动态特性,验证了过补偿设计方案的合理性。

电磁干扰多通道时域快速测量与信号计算方法

针对复杂电磁环境和复杂大型系统电磁干扰测量参数、测量点位及测量工况多的特点,采用传统扫频式频域测量方法具有代价高、耗时长等现实问题,提出了一种低频电磁干扰的多通道时域快速测量与信号计算方法,并研制出低频电磁干扰多通道时域快速测量系统,实验验证表明提出的测量、计算方法和研制出的测量系统可以准确得到复杂电磁环境和大型系统的低频电磁干扰特性,且测量速度快、成本低。

非合作干扰对消技术中空间分辨率建模与分析

在非合作干扰对消的背景之下,通过对不同阵列流形接收信号模型的建立,提出了空间分辨率的表征参数,用以衡量干扰信号与通信信号达波角度接近时,不同阵列流形对相近达波角度的分辨能力和对消能力,并分析了空间分辨率的影响因素,提出了新的非合作干扰对消阵列设计标准。推导了阵列转移因子和输出信干噪比作为空间分辨率的评价指标。从阵型、阵元个数和阵列半径三个方面,仿真分析了不同阵列流形的空间分辨率,并通过实验进行了验证。实验结果与理论和仿真分析结果吻合较好,验证了空间分辨率对干扰对消的实际影响。为后续阵列流形优化与辅助天线设计提供了基础。

旋磁非线性传输线原理分析和初步实验

作为一种特殊的宽带高功率微波源,旋磁非线性传输线(gyromagnetic nonlinear transmission lines,GNLTL)由于中心频率高、易于调频以及可以高重频运行等特点,得到了广泛的关注。为明确GNLTL的特殊工作机理,对比分析GNLTL与传统旋磁应用场景的不同之处。从微观磁化动力学入手,针对GNLTL产生微波的原因进行定性解释。搭建一套低功率的验证实验装置,重点针对实验场景构建、GNLTL设计进行介绍。实验得到微波信号的中心频率为750 MHz,3 dB波束带宽达12%,峰值功率为245 kW,初步验证了GNLTL的微波产生效果。

表贴式永磁电机在PWM激励下永磁体涡流损耗计算模型

针对现有模型难以计算PWM激励下表贴式永磁电机永磁体涡流损耗问题,提出了一种计算由PWM谐波引起的永磁体内涡流损耗计算模型。该模型通过磁导率分布函数获取气隙径向磁密,能够考虑定子开槽及谐波电流影响。首先,在忽略涡流反作用情况下解析计算了永磁体内磁密变化率;然后,应用有限差分法数值计算了永磁体内电位,综合得到了涡流损耗;最后,用有限元法验证了模型的准确性。研究结果表明:随着永磁体分段数的增大,涡流损耗减小,涡流反作用也随之减弱;永磁体涡流损耗主要由1倍、2倍开关频率附近电流谐波引起。

混频输入下基于MF-LSTM的电气设备故障诊断方法

针对多型传感器采样频率不统一,现有机器学习算法难以有效处理混频数据输入,无法充分挖掘混频信号中的设备故障特征的问题,首先提出一种混频数据输入下的长短时记忆网络(multi-frequency long and short term memory network,MF-LSTM)架构;然后,对不同采样频率的状态数据分别进行特征提取并进行特征融合,实现混频数据输入下的电气设备的故障诊断任务;最后,利用凯斯西储大学轴承数据集对所提模型进行了算例验证,结果表明:相比于单频信号输入,混频输入平均提高故障诊断精度1.72%。该实验结果证明了所提出的基于MF-LSTM的故障诊断框架的有效性和混频数据输入的必要性。

高速电机定子散嵌线绕组换位对环流损耗的抑制分析

定子绕组铜耗是高速永磁电机损耗的主要来源之一,对于多根并绕的散嵌线绕组,由于各导线所处的漏磁场不同,导致感应出的电压也不同,从而会在导线之间形成环流,所带来的额外交流附加铜耗已成为限制该类电机功率密度以及效率提高的主要因素。本文主要针对并绕导线间由于环流引起的不同股线之间电流不均展开研究,通过绕组端部换位的方式实现了对绕组环流损耗的抑制,并通过设计实验验证了环流抑制分析的有效性。

永磁被动补偿脉冲发电机放电电感计算与仿真

永磁被动补偿脉冲发电机的放电过程是一个复杂的电磁暂态过程,对永磁被动补偿脉冲发电机的数学建模存在模型过度简化、原理阐述不清以及计算求解困难等问题。提出了一种考虑电枢绕组尺寸与补偿筒涡流磁场影响因素、基于子域法等效求解的电感计算模型,并对一台样机建立了数学模型以及有限元模型,通过有限元仿真与解析计算结果对比,证明该计算模型相比现有模型精确度更高,适用范围更广,可用于被动补偿脉冲发电机放电过程的解析计算。

凸导轨关键参数对电流密度分布的影响分析

电磁直线推进机构中导轨的形状密切影响着电流的分布,凸导轨在促进电流的均匀分布方面相对平导轨、凹导轨具有明显的优势。目前,尚未有文献分析研究凸导轨的弧面半径、覆层材料厚度等关键参数对电流分布的影响效果。因此,通过Maxwell有限元仿真软件,使用等效频率方法,针对25 mm小口径凸导轨电磁直线推进机构,计算了不同弧面半径、覆层材料厚度的电流密度与焦耳热功率的分布情况。结果表明:对于该口径直线推进机构,在弧面半径增大过程中,最大电流密度的位置会从弧顶向两侧边缘移动,最大值不断增加;钢覆层导轨有效降低了表面电流密度的最大值,但有更高的焦耳热功率;弧面半径为20 mm时,有最均匀的电流密度分布效果,1 mm厚度钢覆层可一定程度降低表面焦耳热功率。该研究结果对凸导轨的优化有一定指导作用。

重频速射电磁发射用混合储能系统控制策略

面向重频快速电磁发射的应用需求,针对其对混合储能系统初级储能向次级储能超高频率充电的难题,提出了一种基于“超级电容-脉冲电容”的新型混合储能系统,与现有“蓄电池-脉冲电容”混合储能相比,该系统具有快速充电和长寿命的优势。首先,在介绍该储能系统基本电路结构和原理的基础上,结合时序串联充电方式推导了其内部能量转移过程的理论模型;然后,基于Matlab仿真平台搭建系统仿真模型,给出了时序串联充电控制策略,以及充电电压和电流波形,并定量分析了回路阻抗对充电波形的影响。仿真结果表明:所提出的基于“超级电容-脉冲电容”的混合储能系统可实现数十发/分的射速,可为重频速射电磁发射的应用提供有效的能源供给方案,且该混合储能系统基于时序串联控制可实现对电磁发射脉冲电源电压的精准控制。

表贴式永磁电机永磁体涡流损耗有限元计算方法对比研究

脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术广泛应用于表贴式永磁电机(surface permanent magnet synchronous motor,SPMSM)控制,而在PWM电流激励下永磁体内涡流损耗较大。为快速、准确获取涡流损耗,基于电机磁场沿轴向近似均匀分布特性,提出了一种PWM激励下永磁体内涡流损耗有限元(finite element method,FEM)简化计算方法。首先,以3台永磁体轴向分段数目不同的SPMSM为研究对象,对比同工况下简化方法、2D FEM、3D FEM涡流损耗计算结果,结果表明简化方法与3D FEM计算结果误差小于3%,而计算时间远小于3D FEM;然后,基于涡流损耗随永磁体轴向分段增大而减小的特点,通过不同永磁体轴向分段数目的SPMSM,在堵转工况下分离永磁体涡流损耗,验证了简化方法计算有效性;最后,通过实测电机各相电阻计算电机直流铜耗,对实测涡流损耗差值进行修正,进一步验证了简化方法的准确性。